Дело в химии. Как все устроено?

Наиболее распространенной была двупольная система севооборота, в которой поля засевались по очереди через год – одно засаживалось, а второе отдыхало. Но уже в Средние века люди поняли, что эта система не идеальна, ее использование не позволяло повысить урожайность кардинально. Начало применяться трехполье, оно было намного эффективнее: первое поле засевалось зимой озимыми культурами – пшеницей или рожью, летом – яровыми – ячменем или овсом; второе поле – бобовыми (чечевица, горох), а третье поле оставалось под паром. Этот подход был гораздо эффективнее двуполья, по двум причинам: во-первых, ежегодно засеивались две трети полей, а не половина, как при двупольном севообороте. А во-вторых, что очень важно, использовалось удивительное свойство бобовых: в сельском хозяйстве они помогают насытить почву, истощенную зерновыми, азотом.

В корнях бобовых живет на самом деле бактерия, Rhizobium leguminosarum, умеющая связывать азот из атмосферы, – она превращает газообразный азот в усваиваемую растениями форму – ион нитрата (NO₃ ^—) или ион аммония (NH₄ ⁺). Азот – один из самых важных питательных элементов для растений, поскольку он входит в состав хлорофилла и растительного белка и вовлечен практически во все фазы жизни растения: рост, созревание, производство листвы. Хотя газообразный азот служит основным компонентом атмосферы – до 78 % воздуха, которым мы дышим, состоит из молекулярного азота, – растения не способны поглощать его непосредственно и сразу использовать. Для них единственной возможностью получить его – является всасывание из почвы, корнями, ионов аммония или нитрата. Вспомните, как мы уже говорили в предыдущей главке, что химические свойства чистых элементов могут сильно отличаться от свойств их соединений? Ну вот, тому яркий пример.

Абсолютно бесцветная, лишенная запаха и вкуса молекула азота очень стабильна, и ее очень трудно заставить вступить в реакцию с другими веществами. Химики на своем профессиональном языке говорят, что молекула азота инертна. Представьте, что, когда мы, химики, работаем с очень опасными веществами, которые при контакте с кислородом или водяным паром в атмосфере могут взорваться или воспламениться, мы используем азот, чтобы работать в инертной атмосфере, – для этого из лаборатории выкачивают воздух и заполняют ее азотом.

А вот аммиак (NH₃) и азотная кислота (HNO₃), наоборот, – вещества, вступающие в реакцию при первой же возможности. На самом деле эти молекулы даже слишком активны: я надеюсь, что и без этой книги вы сможете себе представить, что будет, если полить цветочки азотной кислотой.

Не вдаваясь особо в детали, достаточно знать, что аммиак и азотная кислота легко превращаются в производные, ионы нитрата и аммония, которые нам уже раньше попадались, – они безвредны и легко абсорбируются.

И вот тут начинает действовать фундаментальное правило связывающих азот микроорганизмов, которые, благодаря сложным, но удивительным «молекулярным лабораториям», то есть комплексу ферментов, так называемой нитрогеназе, способны управлять превращением атмосферного азота в молекулы, о которых мы говорили выше.

Большая часть работы по связыванию азота выполняется симбионтами, микроорганизмами, которые не могут существовать в одиночестве и развиваются только в присутствии других организмов, с которыми «сотрудничают», чтобы выжить. Такова и Rhizobium leguminosarum, бактерия, которая стала первым открытым биологами бактерией, связывающей азот. Она живет в симбиозе с бобовыми, образуя характерные узелки у них на корнях. Rhizobium снабжает растение азотом, а растение платит ей, помогая синтезировать углеводы. И все довольны: бактерия получает углеводы, растение – азот, а крестьянин – почву, которая после урожая становится еще более плодородной и богатой азотом.

До возникновения сельскохозяйственной химии способов повысить урожайность было всего два: использование помета животных в качестве удобрения и севооборот с посадкой бобовых, как мы только что убедились. Но постоянный рост народонаселения требовал постоянного повышения урожайности полей, и постепенно оказалось, что конский навоз и ежегодное чередование посевов уже не годятся.

До открытия Юстусом фон Либихом в 1840 году необходимости азота для роста сельхозкультур интерес к его соединениям ограничивался военными нуждами, то есть селитрой, одним из компонентов пороха? и скромными потребностями в аммиаке и азотной кислоте. Только после важного открытия сельскохозяйственный мир заинтересовался возможностями использования производных азота для повышения урожайности.

По сравнению с использованием навоза или чередования культур, это могло бы позволить не только увеличить урожайность, но и добиться большей защиты от неурожая.